基于排水的平縱組合設計研究

盧　波

(中鐵西北科學研究院有限公司　蘭州　730000)

基于排水的平縱組合設計研究

盧波

(中鐵西北科學研究院有限公司蘭州730000)

摘要公路路面排水不暢路段屢見不鮮，由此產生的交通安全問題受到廣泛重視。文中從道路平縱組合的角度提出了路面排水不暢問題。通過對橫坡、超高和縱斷面3個方面進行分析計算，得出了路線平縱組合對于路基路面的排水影響是顯著的。

關鍵詞道路工程路面排水平縱組合設計

近年來，我國公路建設迅速，但隨之而來的是交通事故相應增多，引起交通事故的原因多種多樣，其中道路的最初設計不當，也是導致交通事故頻發的原因之一。目前在道路平縱組合時主要關注的是視距、指標均衡等方面，而對路面排水的因素考慮不夠，導致因路面排水不良而造成的交通事故頻發，特別是在積雪冰凍地區尤為突出。本文擬從分析路面排水不暢帶來的危害入手，在此基礎上探討路面排水不暢的成因并提出相應的改善措施。從排水的角度考慮平縱組合設計，改善行車條件，

以保證車輛的運營安全，有效地降低事故率。

1路面排水不暢成因分析

1.1　路拱橫坡

為迅速排除路面和路肩上的積水，將路面和路肩設計成有一定橫坡的斜面，《公路路線設計規范》(以下簡稱《規范》)[1]、《公路工程標準》[2]和《公路路線設計細則》[3]對各等級公路的路拱橫坡都做了較為詳細的規定，路拱橫坡取值根據所處地區的降雨量、車道數、是否有中央分隔帶、是否是積雪冰凍地區都有不同的規定要求。

本項目是典型的山區高速公路，對山區類似高速公路走廊帶的選擇有一定的參考意義。同時，需要注意的是，影響路線方案選擇的因素較多，而這些因素的復雜關系很難統一在一個評價模式中[2]，所以應針對項目所在地區的特征確定主要控制因素，再兼顧其他因素。

參考文獻

[1]吳華金.山區高速公路路線走廊帶的選擇與研究[J].公路，2003(5)：45-52.

[2]鄒亞宏，廖曉瑾，黃秋星.高等級公路路線方案優選與論證[J].中外公路，2003，23(3)：69-71.

Study on the Corridor Project of Zhengan-Xishui Highway

ZhangJinlong，ZhaoJinglan

(Guizhou Transportation Planning Survey&Design Academy Co., Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：Aiming at route alignment of Zhengan-Xishui highway, we presented multiple corridors . On the basis of analyzing influencing corridor solution selection factors, the paper analysed the weight of every factors and chose assignment. The North corridor, the highest total score, was selected as the recommended corridor for the project after qualitative analysis and quantitative analysis. As a typical mountainous highway, it is expected that the paper will have a certain reference value for the selection of the mountainous area similar to the corridor of the highway. The poor section of the road surface drainage is not uncommon. The resulting traffic safety problems have extensive attention. From the point of the road horizontal and longitudinal combination, we proposed the pavement poor drainage problems in this paper. Through analytical calculations on cross slope, superelevation and the longitudinal section, we concluded that the route horizontal and longitudinal combination for subgrade and pavement drainage had significant effect. Those analytical calculations also played a guiding role when the designer should be consider how to deal with the subgrade drainage problems in the horizontal and longitudinal combination.

Key words:mountainous area； highway； corridor project； influence factors road engineering; pavement drainage; horizontal and longitudinal combination; design

1.2　超高過渡段

在超高過渡時由正常路拱橫坡過渡到單向路拱橫坡，會有-2%~2%橫坡斷面，如果該段的路線縱坡也較小，那么此路段的合成坡度就會較小，此路段會造成路面排水不暢，所以在設計時就應該特別注意此路段，盡量讓路拱橫坡路段的長度減小。排水不暢路段的長度計算公式[4]

(1)

式中：Svs為排水不暢的路段長度，m；Imin為允許的最小合成坡度，取0.5%；iz為正常路段路拱橫坡；i為路線縱坡,L0為臨界長度，m。

以4車道高速公路為例，取直線段路拱橫坡iz=2%，由-2%過渡到+2%時的長度為超高過渡段的臨界長度，超高過渡方式為繞中央分隔帶邊緣旋轉，路基寬度取設計速度對應《規范》規定的最小值，由式(1)計算縱坡為0%和0.3%時的排水不暢路段長度見表1。

表1　超高過渡導致排水不暢路段長度

注：B′為旋轉軸至外側路緣帶邊緣的寬度。

由表1可見：

(1) 排水不暢路段與縱坡有關，在其他條件相同的情況下，縱坡值越小排水不暢路段就會越長，反之亦然，因此在設計時應充分考慮在路拱橫坡較小情況下縱坡的取值。

(2) 排水不暢路段與超高漸變率有關，在其他條件相同的情況下，超高漸變率越小，排水不暢路段就會越長，因此在超高設計時，應充分考慮排水問題。

(3) 排水不暢路段與路拱橫坡(超高值)有關，在其他條件相同的情況下，路拱橫坡(超高值)越大，排水不暢路段就會越短，因此在設置路拱橫坡時，不但要考慮行車舒適性，還需要考慮排水問題。

(4) 當路段任意斷面的縱坡大于0.5%，則路段合成坡度均大于最小合成坡度，路段不存在排水不暢路段。

1.3　縱斷面

為了保證路段排水暢通，《規范》規定公路的縱坡不宜小于0.3%且合成坡度不宜小于0.5%。當縱坡值小于0.3%或者合成坡度小于0.5%時，其邊溝、排水溝應作縱向排水設計，保證路段排水暢通。

路線設計中的豎曲線，可采用拋物線形式，也可采用圓曲線形式，兩者在實際運用中幾乎沒有差別(見圖1)，但是為了簡化計算，圓曲線方程最終還是可簡化為拋物線方程，求導得豎曲線上任一點的縱坡值為[5]

(2)

圖1　豎曲線要素示意圖

為了敘述方便，分別稱為全凹形豎曲線或全凸形豎曲線(見圖2)，以全凹形為例，豎曲線半徑過大時，在豎曲線的底部(頂部)小于0.3 %的縱坡的路段長度會過大。其長度可用下式計算。

(3)

式中：Sv為縱坡小于允許的最小縱坡的長度，m；R為豎曲線半徑，m；imin為允許最小縱坡值，一般取0. 5 %，特殊情況取0.3%。

圖2　全凹形豎曲線

最小允許縱坡為0.5%和0.3%時，根據《規范》計算得出不同豎曲線最小半徑對應的排水不暢路段長度見表2。

表2　根據《規范》豎曲線最小半徑推算排水不暢路段長度

由表2可見：

(1) 排水不暢路段與豎曲線半徑有關，在其他條件相同的情況下，豎曲線半徑越大排水不暢路段越長，因此在設計豎曲線半徑時在滿足線形要求的情況下不要過分追求大半徑豎曲線。

(2) 排水不暢路段與允許最小縱坡值有關，在其他條件相同的情況下，允許最小縱坡值越小排水不暢路段越長。

2路面表面排水特性

本文假設其他條件一定，不同的合成坡度和不同的橫斷面寬度時，分別從坡面匯流歷時和設置攔水帶時過水斷面內的水面寬度進行對比分析。

2.1　坡面排水歷時

坡面匯流歷時由下式計算[6]

(4)

式中：t為坡面匯流歷時,min；Ls為坡面流的長度,m，小于370 m；is為坡面流的合成坡度；m1為地表粗度系數，瀝青混凝土和水泥混凝土路面時為0.013。

不同合成坡度和不同Ls(坡面流長度)由上式計算得坡面匯流歷時，見圖3。

圖3　不同路面合成坡度和不同坡面流長度時匯流歷時

由圖3可見：

(1) 在其他條件相同的情況下，坡流長度越長匯流歷時越長，對行車安全性影響越大。

(2) 在其他條件相同的情況下，合成坡度越小匯流歷時越長，路面排水越不暢。

2.2　設攔水帶時過水斷面的水面寬度

《公路排水設計規范》[6]規定：設置攔水帶匯集路面表面水時，攔水帶過水斷面內的水面，在高速公路及一級公路上不得漫過右側車道外邊緣。

坡面匯流歷時由下式計算

(5)

式中：Cp為重現轉換系數；Ct為降雨歷時轉換系數；ih為過水斷面的橫向坡度；I為水力坡度。

本文假設地區降雨量一定，B為過水斷面的水面寬度，m；設匯流歷時為5 min，q5,10為2.8 mm/min，該地區Cp=C5為1.0，5 min降雨歷時轉換系數Ct=C5為1.25，開口間距為50 m，道路縱坡為1%。

在不同的單幅路面寬度和不同橫坡值時，計算過水斷面水面寬度結果見表3。

表3　過水斷面水面寬度　m

由表3可見：

車道數、路拱橫坡值、攔水帶的開口間距和道路縱坡值是影響過水斷面水面寬度的主要因素。

(1) 過水斷面水面寬度與車道數有關，在其他條件相同的情況下，車道數越多過水斷面水面寬度越寬，車道數不但影響交通量，而且影響排水。

(2) 過水斷面水面寬度與路拱橫坡有關，在其他條件相同的情況下，路拱橫坡越小過水斷面水面寬度越寬，路拱橫坡不但影響行車的平順性，而且影響排水。

(3) 攔水帶開口間距、道路縱坡值對過水斷面的水面寬度也有較大影響。

3結語

(1) 直線路段或者圓曲線半徑大于不設超高的圓曲線半徑，與豎曲線組合時，路段合成坡度均大于或等于正常路拱橫坡值，路面排水不受影響。

(2) 圓曲線半徑小于不設超高的圓曲線半徑時，在超高過渡段會出現零坡斷面和橫向排水不暢路段；豎曲線為全凹形豎曲線或全凸形豎曲線時，豎曲線的底部(頂部)總是存在一段縱坡較小的路段，此時排水可能存在問題。因此從排水角度提出平縱面組合設計要求如下。

①盡量做到平包豎。這種組合不但滿足車輛的行駛安全，還能較好地滿足路面排水的要求，圓曲線段與豎曲線的底部(頂部)對應，因圓曲線上存在的超高，有較大的橫向坡度，該段的合成坡度也較大，有利于路面排水。

②平曲線與豎曲線若錯開組合，要避免全凹(凸)形豎曲線的頂點位于緩和曲線上超高過渡的零坡斷面附近，以避免路面出現積水現象。

③避免全凹(凸)形豎曲線的頂點位于S 形平曲線的拐點上。超高過渡過程中會出現橫坡值小于2%和零坡路段，如果全凹形或全凸形豎曲線的底部(頂部)與該處重合，會造成S 形平曲線的拐點附近路面排水不暢。

(3) 路線縱坡大于0.5%且豎曲線不是全凹或全凸形豎曲線時，路線的合成坡度都會大于或等于0.5%，能滿足排水要求，此時平縱組合設計也可不考慮排水的影響。

(4) 超高設計時，要注意超高方式和超高漸變率的選取，越小的超高漸變率會帶來更長的路面橫向排水不暢路段，對于超高漸變率為1/330或接近1/330時，要注意平縱組合設計，超高漸變段宜置于直坡段上，以避免路拱橫坡較小帶來的排水不暢問題。

[1]JTG D20-2006公路路線設計規范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2]JTG B01-2014公路工程技術標準[S].北京: 人民交通出版社，2014.

[3]JTG/T D20-200X公路路線設計細則(總校稿)[S].北京: 人民交通出版社，200X.

[4]馬慶雷，潘兵宏.公路幾何設計與路面排水[J].山東交通科技.2003(4)：24-26.

[5]游潤衛，許有俊.高速公路路線豎曲線上的縱坡分析[J].公路工程, 2013(8):21-24.

[6]JTGT D33-2012公路排水設計規范[S].北京：人民交通出版社，2012.

Study on the Horizontal and Longitudinal Combination Design Based on the Drainage

LuBo

(Engineering Testing Experiment Center, Northwest Research Institute Co.,Ltd of C.R.E.C, Lanzhou 730000, China)